基于ESP-NOW的無線傳感器網絡系統設計

摘要：設計了一種基于ESP-NOW [樂鑫信息科技（上海）股份有限公司定義的一種無線通信協議]的無線傳感器網絡系統，旨在提高數據傳輸的穩定性與實時性，解決云平臺海量數據處理問題。該系統以傳感器節點、網關及數據處理中心為基礎，采用高性能AMS1117低壓差線性穩壓器（low dropout regulator，LDO）傳感器芯片與ESP系列微控制器，能夠實現一對一、一對多以及多對多等不同設備間的數據傳輸。實踐證明，該系統性能好、通信傳輸穩定、功耗小、系統維護成本低，具有較高的實用價值。

關鍵詞：無線傳感器網絡；ESP-NOW；傳感器芯片；匯聚節點

中圖分類號：TP212.9；TN929.5 文獻標識碼：A

0 引言

隨著物聯網的蓬勃發展，對無線傳感器網絡的性能、功耗、成本等提出了更高的要求。傳統的無線通信方式在應對大規模、分布式的傳感器網絡應用時，逐漸暴露出藍牙覆蓋范圍有限、Wi-Fi功耗較高、Zigbee（紫蜂）協議下數據傳輸速率低等問題。在這一背景下，ESP-NOW [樂鑫信息科技（上海）股份有限公司定義的一種無線通信協議]應運而生，其作為一種新型無線通信協議，能夠實現快速的數據傳輸，滿足復雜場景對數據實時性的需求[1]。此外，ESP-NOW 的簡單易用性也為開發者提供了便利，降低了開發門檻與成本，無須復雜的網絡配置，就能夠實現無線傳感器網絡的高效部署。本文引入ESP-NOW，從系統總體架構、硬件與軟件設計展開論述，以期為相關領域的研究提供借鑒。

1 系統總體架構

系統架構包括感知層、傳輸層與應用層3個層次。①感知層核心組成為終端傳感器節點，如傳感器、微控制器等，其主要功能是采集、發送數據。通過ESP-NOW協議能夠建立起感知與匯聚節點的有效通信。②傳輸層核心部件為通信協議模塊，其負責數據的封裝與傳輸，將傳感器采集的數據進行格式化處理，添加必要的控制信息與校驗碼等，然后以特定的幀格式進行發送。該模塊實現了設備之間的快速配對與通信建立。在網絡部署時，其能夠快速識別、連接附近支持 ESP-NOW 的設備，無須復雜的網絡配置過程，極大提高了系統的部署效率。此外，它可以同時處理多個設備之間的數據傳輸，滿足無線傳感器網絡中多個節點同時向匯聚節點傳輸數據的需求。③應用層主要功能是滿足數據的顯示與分析需求，其以樹莓派為基礎，可實現對感知節點數據與工作情況的遠程監管?；贓SP-NOW的無線傳感器系統總體架構如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 感知層硬件設計

感知層是整個無線傳感器系統的基礎，負責采集各種環境數據。在硬件設計方面，需要充分考慮不同類型傳感器的特性及其與ESP-NOW模塊的兼容性。溫度感知采用DS18B20數字溫度傳感器，具有體積小、精度高、接口簡單等優點，能夠準確地測量環境溫度。通過簡單的單總線接口與微控制器相連，讀取傳感器數據并進行預處理。光照強度的感知可以采用 BH1750 數字光照傳感器，其能夠直接輸出數字量的光照強度值，與微控制器通過集成電路總線（inter-integrated circuit，I2C） 接口進行通信，數據傳輸穩定可靠[2]。氣壓強度的測量選用BMP280 氣壓傳感器，其具有精度高、功耗低等特點，可準確測量環境中的氣壓變化。BMP280 通過I2C接口與微控制器連接，微控制器可以直接讀取氣壓數據。CO2濃度采用 MG811 CO2傳感器，MG811 輸出的模擬信號需要經過運算放大器進行放大、處理，然后通過模擬數字轉換器（analog-to-digital converter，ADC）轉換為數字信號供微控制器處理。感知層節點系統結構示意圖如圖2所示。在電源管理方面，為了實現低功耗運行，采用可充電的鋰電池，當系統處于低功耗模式時，能夠關閉不必要的外設，以降低功耗。

2.2 匯聚節點硬件設計

匯聚節點在無線傳感器系統中起到承上啟下的關鍵作用，其能夠對不同感知節點的數據進行收集和有效整合，經過初步處理的數據被發送至上層系統。在硬件設計上，匯聚節點同樣采用 ESP32模塊作為核心通信單元，以保證與感知節點之間的 ESP-NOW 通信的兼容性和穩定性。為了處理大量的數據，匯聚節點需要更強大的處理能力，需要選擇高性能的微控制器，因其具有更高的工作頻率和更大的內存，能夠快速處理并緩存接收的數據。在存儲方面，采用 W25Q128存儲器（容量為128 Mb）用于存儲暫時未上傳的數據，以防止數據丟失。在接口方面，匯聚節點配備了多種通信接口，如以太網接口、USB 接口等。以太網接口用于與本地服務器或路由器連接，實現數據的有線傳輸。USB 接口用于連接外部存儲設備，方便數據的備份與導出[3]。為了提高系統的可靠性，匯聚節點配備了AMS1117 低壓差線性穩壓器（low dropout regulator，LDO）傳感器芯片，用于記錄數據的采集時間與上傳時間。匯聚節點通常采用市電供電，并通過降壓穩壓電路為系統提供穩定的電源。為應對市電中斷的情況，可配備備用電池，確保系統在短時間內能夠正常運行。

3 系統軟件設計

3.1 感知層軟件設計

感知層的軟件設計是無線傳感器系統的基礎，其主要任務是實現傳感器數據的采集、預處理，并通過 ESP-NOW 協議進行傳輸。在系統初始化階段，需要對所使用的微控制器和傳感器進行初始化設置。包括設置微控制器的時鐘頻率、輸入/輸出（input/output，I/O）端口配置、中斷優先級等。對于傳感器，如氣壓傳感器和 CO2濃度傳感器，需要根據其數據手冊進行相應的初始化，如設置測量范圍、精度、工作模式等。數據采集部分，可通過定時中斷或者外部觸發的方式，按照一定的頻率讀取傳感器的數據。例如，對于氣壓傳感器，可每隔 5 s讀取一次氣壓值。完成數據讀取后，需進行簡單的預處理，如去除噪聲、數據濾波等，以提高數據的準確性。將預處理后的數據進行封裝，根據 ESP-NOW 的規定，將數據封裝成特定的格式，包括源地址、目標地址、數據類型等[4]。在封裝過程中，需添加循環冗余校驗（cyclic redundancy check，CRC）碼，確保數據在傳輸過程中的準確性與完整性。數據傳輸部分使用 ESP-NOW 提供的函數接口，將封裝的數據發送出去。同時，還需要處理傳輸過程中的錯誤和異常情況，如發送失敗時的重傳機制、接收方未響應時的超時處理等。為了降低功耗，在系統空閑時，需要將微控制器和傳感器置于低功耗模式，可以通過設置微控制器的睡眠模式和關閉傳感器的電源來實現。當有數據采集或傳輸任務時，則通過中斷喚醒系統來完成相關任務。

3.2 匯聚節點軟件系統

匯聚節點的軟件系統主要負責接收來自各個感知節點的數據，并進行數據整合、處理與轉發。初始化階段需要創建數據緩沖區和存儲結構，用于暫存接收到的數據。在數據接收部分，通過 ESP-NOW 的接收回調函數，實時接收來自感知節點的數據。接收到的數據按照預定的格式進行解析，提取有用的信息，如傳感器類型、數據值等，并將其存儲到相應的數據結構中。在數據整合和處理階段，對來自不同感知節點的數據進行分類和匯總，將同一區域內多個感知節點測量的氣壓值進行平均計算，以得到更準確的氣壓數據。同時，還可以進行數據的壓縮和加密處理，以提高數據傳輸安全

性[5]。將處理后的數據通過串口、以太網等接口發送給上位機，如果需要上傳到云服務器，則通過 Wi-Fi 或移動網絡將數據發送到云端。在軟件設計中，還需要考慮錯誤處理和異常情況。當接收的數據格式錯誤或不完整時，能夠進行錯誤提示與數據丟棄。當與上位機或云服務器的通信出現故障時，能夠進行重連與數據緩存。

4 系統測試分析

本文對系統進行了數據傳輸準確性測試。在不同的環境條件下，向同一樓層樓宇與空曠環境發送大量的數據樣本，得到了不同通信距離下的測試結果，如表1所示。發現在同一樓層，通信距離＞

80 m時，存在數據丟包的情況；空曠環境下，通信距離＞260 m時，存在數據丟包的情況。測試結果表明，在理想的環境中，數據傳輸效果良好。

功耗是無線傳感器網絡系統的關鍵指標之一。在持續運行24 h的測試中，系統的平均功耗約為30 mW。這一低功耗水平使得傳感器節點能夠依靠小型電池長時間工作，降低了維護成本和更換電池的頻率。

5 結語

綜上，基于ESP-NOW的無線傳感器網絡系統可提供低功耗、高速率的數據傳輸方式，使得傳感器節點之間能夠快速、可靠地交換信息，系統的穩定運行與高效性能充分驗證了ESP-NOW在無線傳感器網絡中的適用性與優越性，ESP-NOW無線傳感器網絡具有廣闊的發展前景。

參考文獻

[1] 魏志榮，梁志勛，趙家祺，等. 基于無線傳感器網絡的智能LED景觀燈控制系統的設計與實現[J]. 光源與照明，2022（1）：73-75，173.

[2] 王澤東，方飛，馮文君，等. 基于Wi-Fi接入的無線傳感器終端設計[J]. 內江師范學院學報，2022，37（4）：63-68.

[3] 梁竹君. 基于ESP8266溫濕度檢測系統設計[J]. 科技創新與應用，2020（1）：95-97.

[4] CLAUSSEN M，禾沐. MQTT傳感器中樞：使用ESP32 PICO KIT讀取和傳輸傳感器數值[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2020，20（2）：1-4.

[5] 唐俊濤，劉謙. 基于ESP8266WiFi模組的智能開關[J]. 數字技術與應用，2022，40（2）：186-188.